基于D—S證據(jù)理論的機(jī)載數(shù)字通信設(shè)備電磁環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估

劉丹 魏嘉利

摘要：本文采用D-S證據(jù)理論方法研究機(jī)載數(shù)字通信系統(tǒng)電磁環(huán)境適應(yīng)性量化評(píng)估問題，并以某型直升機(jī)上的航管應(yīng)答機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)評(píng)估方法進(jìn)行了驗(yàn)證，消除了以往評(píng)估中采用專家打分法等人為方法對(duì)評(píng)估對(duì)象進(jìn)行評(píng)判時(shí)帶來的主觀因素影響，對(duì)系統(tǒng)電磁環(huán)境適應(yīng)性的量化評(píng)估提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：航空電子；數(shù)字通信；電磁環(huán)境；證據(jù)理論；評(píng)估

中圖分類號(hào)：V243；0361.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2018.01.026

現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)成為陸、海、空、天、電磁“五維一體”的聯(lián)合作戰(zhàn)，任何軍事行動(dòng)都處在一定的電磁環(huán)境中，要保障軍用飛機(jī)的電磁兼容性，除了需要保證設(shè)備、分系統(tǒng)的電磁兼容性外，更要保證系統(tǒng)在預(yù)期工作環(huán)境下的性能，即保證系統(tǒng)的電磁環(huán)境適應(yīng)性。因此，量化評(píng)估系統(tǒng)的電磁環(huán)境適應(yīng)性顯得尤為重要。現(xiàn)有對(duì)于系統(tǒng)電磁環(huán)境適應(yīng)性的評(píng)估方法存在不確定性，主要體現(xiàn)在：現(xiàn)有的系統(tǒng)電磁環(huán)境適應(yīng)評(píng)估或是以電磁環(huán)境為評(píng)估對(duì)象，或是以系統(tǒng)平臺(tái)為評(píng)估對(duì)象，沒有考慮構(gòu)成系統(tǒng)的最根本因素——設(shè)備的電磁環(huán)境適應(yīng)能力；在評(píng)估工作中，多采用專家打分法等人為的方法對(duì)電磁環(huán)境分級(jí)或?qū)ο到y(tǒng)工作效能進(jìn)行評(píng)估，包含較強(qiáng)主觀因素。綜合以上兩點(diǎn)，致使在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行電磁環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估時(shí)，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)不一致，評(píng)估結(jié)果差異大，被評(píng)估對(duì)象的電磁環(huán)境適應(yīng)性無法有效體現(xiàn)。國外對(duì)于電磁環(huán)境的研究主要集中在對(duì)戰(zhàn)場電磁環(huán)境的解算、模擬和試驗(yàn)方法的研究，沒有涉及電磁環(huán)境復(fù)雜度評(píng)估方面的工作。因此，如何對(duì)機(jī)載設(shè)備的電磁環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行客觀、有效地評(píng)估顯得尤為重要。

1機(jī)載數(shù)字通信設(shè)備工作效能判定

目前，有多種評(píng)估方法可以用來評(píng)估通信設(shè)備的電磁環(huán)境適應(yīng)性，包括時(shí)域覆蓋率、頻率覆蓋率、誤碼率、壓制系數(shù)和通信距離等。本文主要采用誤碼率和通信距離來評(píng)估數(shù)字通信設(shè)備性能降級(jí)的情況。

1.1干擾噪聲門限

誤碼率是衡量數(shù)字通信設(shè)備性能的指標(biāo)，對(duì)同一通信設(shè)備而言，其信噪比與誤碼率存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。工程中通常采用基于誤碼率的壓制系數(shù)K對(duì)機(jī)載通信設(shè)備進(jìn)行評(píng)估。壓制系數(shù)定義為：當(dāng)設(shè)備誤碼率達(dá)到規(guī)定值ε0時(shí)，接收機(jī)輸入端的干擾噪聲功率與有用信號(hào)功率之比：式中：Prc是經(jīng)自由空間傳播損耗后到達(dá)設(shè)備接收機(jī)端口的信號(hào)能量，Prj為接收端口處的合成噪聲。

有效覆蓋區(qū)域是機(jī)載通信設(shè)備一項(xiàng)十分重要的功能指標(biāo)，它規(guī)定了飛機(jī)在一定高度下，在某一通信頻段內(nèi)，通信設(shè)備需要能夠達(dá)到的覆蓋范圍。當(dāng)機(jī)載設(shè)備處于臨界通信狀態(tài)時(shí)，即通信距離為有效通信距離的邊界值（最大值），設(shè)備的誤碼率為規(guī)定值εn時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的干擾噪聲，定義干擾門限值PN，有：

PN=KPrc

（2）

1.2性能降級(jí)判定準(zhǔn)則

對(duì)于機(jī)載數(shù)字通信系統(tǒng)，其包含的不同設(shè)備性能降級(jí)的判定方式是不同的。但不論何種設(shè)備，都存在不能接受的性能降級(jí)門限指標(biāo)。工程上通常把這個(gè)臨界標(biāo)準(zhǔn)與通信設(shè)備的信噪比聯(lián)系起來，如圖1所示。提出可接受的噪聲門限值PTo。對(duì)于不同的通信設(shè)備而言，只有當(dāng)?shù)竭_(dá)接收機(jī)端口的合成噪聲小于PT值時(shí)，接收設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生無法接受的性能降級(jí)。

1.3通信設(shè)備工作狀態(tài)評(píng)估

以到達(dá)接收機(jī)端口的噪聲值Pj為評(píng)估對(duì)象，可以將機(jī)載通信設(shè)備的工作情況分為三種狀態(tài)，如圖2所示。

當(dāng)Pj≤PN，通信設(shè)備在有效覆蓋區(qū)域內(nèi)能夠正常通信；當(dāng)PN≤Pi≤PT，通信出現(xiàn)性能降級(jí)，但并未完全失效；當(dāng)Pj≥PT，通信功能完全失效。在對(duì)通信設(shè)備電磁環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估時(shí)，只需要確定設(shè)備在預(yù)期電磁環(huán)境中的失效概率或者正常工作的概率。因此，對(duì)于“灰色區(qū)域”（即系統(tǒng)出現(xiàn)效能下降但又不至于失效）部分?jǐn)?shù)據(jù)該如何歸類和處理，是需要解決的問題。

2D-S證據(jù)理論

證據(jù)理論也稱為Dempster-Shafer理論（簡稱D-S理論）。證據(jù)指的是對(duì)問題所做的觀察和研究的結(jié)果，根據(jù)證據(jù)可以在決策框架上產(chǎn)生一個(gè)信任函數(shù)。決策者的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)以及對(duì)問題的觀察研究都是用來做決策的證據(jù)。決策者通過多方咨詢可以根據(jù)多批證據(jù)在決策框架上得到多個(gè)基本信任分配，再根據(jù)證據(jù)合成規(guī)則求出多個(gè)基本信任分配的正交和，最終得到一個(gè)科學(xué)性更強(qiáng)的分配結(jié)果。

若集合@為一個(gè)識(shí)別框架，在@的冪集2°上定義映射m；2@→[0，1]，稱為一個(gè)基本信任分配函數(shù)，并且滿足m（φ）=0，且：

m（X）為假設(shè)的質(zhì)量函數(shù)（mass函數(shù)），是對(duì)X的可信程度的一種度量。計(jì)算多批證據(jù)作用下總的信任度，要將兩個(gè)或多個(gè)基本信任分配函數(shù)進(jìn)行合成，得到一個(gè)總的信任分配函數(shù)。對(duì)于任意X∈@，@上的兩個(gè)mass函數(shù)ml，m2的D-S合成規(guī)則為：式中：（ml@m2 ）（θ）為ml和m2兩種情況下D-S合成值；K為歸一化常數(shù)，其表達(dá)式為：

可見，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于：在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的時(shí)候能夠考慮被評(píng)估對(duì)象處于中間狀態(tài)區(qū)域的概率對(duì)其他兩部分概率值的影響，從而使評(píng)估結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

3D-S證據(jù)理論對(duì)評(píng)估數(shù)據(jù)融合

對(duì)于機(jī)載通信設(shè)備在預(yù)期工作環(huán)境下電磁環(huán)境適應(yīng)性的評(píng)估：首先，在工作區(qū)域內(nèi)設(shè)置不同的監(jiān)測點(diǎn)，采集電磁信號(hào)的分布特性；然后，根據(jù)1.3節(jié)中的狀態(tài)劃分，確定機(jī)載設(shè)備在不同監(jiān)測點(diǎn)位各狀態(tài)下的概率值；最后，通過數(shù)據(jù)融合的方法，判斷飛機(jī)在該區(qū)域的工作效能。

本文采用噪聲統(tǒng)計(jì)中的幅度概率分布（AmplitudeProbability Distribution，APD）來表征各監(jiān)測點(diǎn)處通信設(shè)備工作狀態(tài)的概率分布，定義為騷擾信號(hào)幅度超過某個(gè)規(guī)定電平的時(shí)間概率，用公式表示為：式中：R為門限電平，T為測量總時(shí)間，tk為第k個(gè)幅度超過R的脈沖持續(xù)時(shí)間。

本文采用D-S證據(jù)理論法對(duì)監(jiān)測區(qū)域不同點(diǎn)位的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，形成對(duì)被評(píng)估設(shè)備在該區(qū)域電磁環(huán)境適應(yīng)性的綜合評(píng)估。

4航管應(yīng)答機(jī)電磁環(huán)境適應(yīng)性判定

試驗(yàn)以某型直升機(jī)上航管應(yīng)答機(jī)為評(píng)估對(duì)象，評(píng)估航管應(yīng)答機(jī)在預(yù)期工作環(huán)境中的電磁環(huán)境適應(yīng)性。機(jī)頭天線如圖3所示，其中天線位于機(jī)頭正上方。該應(yīng)答機(jī)正常工作時(shí)的應(yīng)答概率為99%～95%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的信噪比為20dB；失效的應(yīng)答概率90%以下，此時(shí)對(duì)應(yīng)的信噪比為15dB。

模擬方式：試驗(yàn)中采用IFR6000外場地面檢測儀來模擬地面塔臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，發(fā)射信號(hào)頻率為1030MHz，信號(hào)強(qiáng)度-2dBm。通過對(duì)發(fā)射和應(yīng)答脈沖的計(jì)數(shù)來計(jì)算應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答概率。試驗(yàn)中通過調(diào)整IFR6000外場地面檢測儀與航管應(yīng)答前天線之間的距離，模擬到達(dá)接收機(jī)前端信號(hào)電平的變化；試驗(yàn)中選取機(jī)載大功率發(fā)射設(shè)備工作來模擬電磁環(huán)境的變化。機(jī)上常用的大功率發(fā)射設(shè)備是短波、超短波電臺(tái)。電臺(tái)的發(fā)射頻點(diǎn)主要根據(jù)電磁兼容試驗(yàn)中容易產(chǎn)生干擾的頻點(diǎn)、電臺(tái)常用頻點(diǎn)以及航管應(yīng)答機(jī)接收信號(hào)的倍頻點(diǎn)來選取。試驗(yàn)設(shè)置如圖4所示，將外場檢測儀器分別置于不同的測試距離，監(jiān)測應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答概率。在同樣的測試位置上，將機(jī)載應(yīng)答機(jī)天線接頻譜儀，測量接收信號(hào)電平。

根據(jù)直升機(jī)實(shí)際使用中的工作狀態(tài)，測試考慮三種工作環(huán)境：（1）機(jī)上設(shè)備上電，大功率設(shè)備不發(fā)射（普通電磁環(huán)境）；（2）超短波在132MHz，257.5MHz發(fā)射（超短波在常用頻點(diǎn)和航管應(yīng)答機(jī)的倍頻點(diǎn)發(fā)射）；（3）短波在3MHz、17MHz發(fā)射（短波在常用頻點(diǎn)發(fā)射）。當(dāng)機(jī)上設(shè)備上電，大功率設(shè)備不發(fā)射時(shí)，此時(shí)噪底為-128～-130dBm，測試結(jié)果見表1；當(dāng)超短波在257.5MHz發(fā)射，接收干擾噪聲為-104dBm，在3m處進(jìn)行測試，應(yīng)答概率迅速下降，基本無數(shù)據(jù)；當(dāng)超短波在132MHz發(fā)射，接收干擾噪聲-119dBm，測試結(jié)果見表2；當(dāng)短波在3MHz、17MHz發(fā)射時(shí)，干擾信號(hào)為噪聲-127dBm，設(shè)備的應(yīng)答概率與表1中的變化情況基本一致。航管應(yīng)答機(jī)判決區(qū)間如圖5所示，頻譜儀測得的信號(hào)強(qiáng)度如圖6和圖7所示。

5D-S方法對(duì)航管應(yīng)答機(jī)電磁環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估

首先，通過設(shè)備的應(yīng)答概率確定設(shè)備工作狀態(tài)。判定規(guī)則為：當(dāng)信噪比K/N>20dB，應(yīng)答概率為99%，正常工作；當(dāng)信噪比15dBK/N，應(yīng)答概率低于90%，設(shè)備失效。

本次試驗(yàn)選取機(jī)頭正前方3m，5m，7m和lOm共4個(gè)測試點(diǎn)，每個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行1min測試。由于短波發(fā)射時(shí)接收信號(hào)變化不明顯，因此，試驗(yàn)中不對(duì)短波進(jìn)行操作。其中，超短波1在257.5MHz上發(fā)射2次，4s/次；在132MHz上發(fā)射2次，4s/次。試驗(yàn)中通過觀察地面監(jiān)測儀器的應(yīng)答概率值來判斷航管應(yīng)答機(jī)所處的工作狀態(tài)，測試結(jié)果見表3。

采用D-S證據(jù)理論對(duì)該區(qū)域內(nèi)航管應(yīng)答機(jī)的電磁環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估。通過1.3節(jié)分析，可以得到識(shí)別框架下的三個(gè)證據(jù)分別為：A→設(shè)備正常工作；B→設(shè)備效能降級(jí)；C→設(shè)備失效，對(duì)應(yīng)表3中的數(shù)據(jù)，則有：

采用式（5）對(duì)前兩個(gè)位置（3m和Sm）監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，有：根據(jù)式（4），可以得到：

當(dāng)考慮第三個(gè)位置（7m）的監(jiān)測結(jié)果時(shí)，再次利用式（4）、式（5）將前兩個(gè)位置的融合結(jié)果與第三個(gè)位置進(jìn)行融合，依次類推，最終評(píng)估結(jié)果見表4。由此可見，在相同的電磁環(huán)境下，通信設(shè)備的電磁環(huán)境適應(yīng)性隨著作用區(qū)域的增加而變差；在同一工作區(qū)域中，通信設(shè)備的電磁環(huán)境適應(yīng)性隨著電磁干擾的增強(qiáng)而變差。評(píng)估得到的結(jié)果與設(shè)備在實(shí)際工作中的工作狀態(tài)相吻合。本方法能夠用來確定在滿足一定電磁環(huán)境適應(yīng)性要求下，設(shè)備在預(yù)期工作環(huán)境下的有效通信距離。

6結(jié)論

本文主要研究機(jī)載數(shù)字通信設(shè)備電磁環(huán)境適應(yīng)性量化評(píng)估問題。首先，將機(jī)載數(shù)字通信設(shè)備的工作狀態(tài)與到達(dá)接收機(jī)端口處的信噪比相比較，得到相應(yīng)的噪聲允許值和噪聲門限值，并通過監(jiān)測預(yù)期工作環(huán)境下電磁環(huán)境的幅度概率分布，得到設(shè)備在該電磁環(huán)境下能夠正常工作的概率，消除了以往評(píng)估中采用專家打分法等人為方法對(duì)評(píng)估對(duì)象進(jìn)行評(píng)判時(shí)帶來的主觀因素影響；其次，采用D-S證據(jù)理論法對(duì)監(jiān)測區(qū)域不同點(diǎn)位的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，考慮了被評(píng)估對(duì)象處在“灰色區(qū)域”的概率值對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響，得到一個(gè)更加客觀的評(píng)估結(jié)果；最后，以某型直升機(jī)上的航管應(yīng)答機(jī)為研究對(duì)象，采用本方法對(duì)其電磁環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了實(shí)測驗(yàn)證，評(píng)估得到的結(jié)果與設(shè)備在實(shí)際工作中的工作狀態(tài)相吻合。本方法對(duì)系統(tǒng)電磁環(huán)境適應(yīng)性的量化評(píng)估提供了可靠的依據(jù)。